INŻYNIERIAMORSKAIGEOTECHNIKA,nr3/2015
498
Tradycyjne rozwiązania w zakresie fotowoltaiki mają pew-ne wady, które nie pozwalają na ich pełpew-ne wykorzystanie. Do takich niedogodności należy zaliczyć, m.in. rozmieszczanie ogniw PV na terenach silnie zurbanizowanych, gdzie po pierw-sze – brak jest odpowiednio dużej powierzchni niezagospodaro-wanego obszaru, a po drugie – wysokie obiekty generują dużo cienia. Próbą wyeliminowania niektórych wad może być zasto-sowanie odpowiednio ukształtowanych konstrukcji wsporczych pod ogniwa fotowoltaiczne. Praca ma na celu pokazanie zalet takich rozwiązań, ich odpowiedniego kształtowania oraz spo-sobu posadowienia. Prezentowany przykład zaproponowano na podstawie rzeczywistych potrzeb Śląskiego Ogrodu Botanicz-nego (ŚOB) w Mikołowie [1, 11].
OPIS ZAGADNIENIA Śląski Ogród Botaniczny
Śląski Ogród Botaniczny rozpościera się na terenie byłej bazy wojskowej w Mikołowie w województwie śląskim, a jego główna siedziba - Centrum Edukacji Przyrodniczej i Ekologicz-nej (CEPiE) - znajduje się na obszarze Sośniej Góry (rys. 1). Ma on charakter głównie edukacyjny, dlatego też jego władze zde-cydowały o podjęciu działań zmierzających do zaadoptowania rozwiązań opartych na odnawialnych źródłach energii (OZE), przy okazji zaspokajając zapotrzebowanie obiektu CEPiE na energię elektryczną. Rozwiązanie takie, z racji swej dostępno-ści, miałoby służyć poszerzeniu wiedzy społeczeństwa na temat OZE oraz promocji samej technologii.
W celu określenia zapotrzebowania obiektu CEPiE na ener-gię przeprowadzono audyt energetyczny [1, 11]. Wynikało z niego, że do prawidłowego funkcjonowania całego obiektu, jakim jest Ogród Botaniczny (budynek CEPiE oraz np. oświe-tlenie alejek, zraszacze itp.), potrzeba 130 tys. kWh/rok energii elektrycznej. Biorąc pod uwagę rzeczywiste zapotrzebowanie na energię oraz na podstawie danych pochodzących: ze stacji me-teorologicznej Uniwersytetu Śląskiego, Wydziału Nauk o Ziemi [3], ze stacji meteorologicznej Śląskiego Ogrodu Botaniczne-go [2] oraz ze strony internetowej Photovoltaic Geographical
Information System dla Mikołowa [10], zaproponowano
wyko-nanie instalacji hybrydowej składającej się z elektrowni wiatro-wej o mocy 70 kW oraz baterii ogniw fotowoltaicznych o mocy Mgr inż. Bartosz Piotrowicz, dr hab. inż. Małgorzata Jastrzębska
Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział Budownictwa
Zastosowanie nietypowych konstrukcji wsporczych
pod instalacje fotowoltaiczne oraz sposoby optymalizacji ich posadowienia
na przykładzie Śląskiego Ogrodu Botanicznego w Mikołowie
Rys. 1. Centrum Edukacji Przyrodniczej i Ekologicznej (CEPiE) – siedziba Śląskiego Ogrodu Botanicznego w Mikołowie (fotografia własna)
INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/2015 499
54 kW i trackera, czyli urządzenia umożliwiającego ustawienie ekranów prostopadle do padania promieni słonecznych.
W niniejszej pracy zaprezentowano przykładowe rozwiąza-nie układu: ogniwa fotowoltaiczne + tracker. Zestaw baterii PV o niezbędnej mocy 54 kW musiałby składać się z 216 ogniw, których ustawienie w technologii tradycyjnej zajęłoby obszar około 0,5 ha. Biorąc pod uwagę brak do dyspozycji tak dużej powierzchni oraz konieczność ograniczenia ingerencji budow-lanej na terenie ŚOB, zaproponowano rozwiązanie alternatywne – odpowiednio ukształtowaną konstrukcję wsporczą (rys. 2).
Układ hybrydowy: ogniwa fotowoltaiczne i tracker Ostatecznie konstrukcję ukształtowano w taki sposób, aby swoim wyglądem przypominała drzewo (rys. 3). Składa się ona
z głównego trzonu nośnego oraz ośmiu dodatkowych gałęzi wy-chodzących z niego. Łącznie w konstrukcji przewidziano mon-taż 9 baterii składających się z 24 ogniw fotowoltaicznych. Po-wstałe w ten sposób ekrany mają wymiar 6,93 × 6,60 m każdy. Dodatkowo przewidziano zastosowanie trackera. Łączna masa
trackera oraz baterii ogniw wynosi 750 kg. Podczas
rozmiesz-czania ekranów wzięto pod uwagę wiele czynników, z których najważniejszymi były brak wzajemnego zacieniania ekranów w dniu, w którym jest najniższy kąt padania promieni słonecz-nych wynoszący 14°15ʹ oraz zapewnienie swobody poruszania się ekranów względem siebie i promieni słońca.
ANALIZA SPOSOBU POSADOWIENIA UKŁADU WSPORCZEGO POD OGNIWA FOTOWOLTAICZNE
Na podstawie dokumentacji geotechnicznej [4] udostępnio-nej przez Gminę Mikołów stwierdzono, że na terenie Śląskiego Ogrodu Botanicznego panują proste warunki gruntowo-wodne. W poziomie posadowienia występują iły zwarte o wytrzyma-łości na ścinanie w warunkach bez odpływu i bez konsolidacji
cu = 73,9 kPa i efektywnym kącie tarcia wewnętrznego fʹ = 13°.
Podłoże gruntowe nie zmienia się do poziomu -4,5 m p.p.t. Na uwagę zasługuje tu jednak fakt, że są to grunty nasypowe, silnie przeobrażone z licznymi pustkami.
Posadowienie tego rodzaju obiektów hybrydowych wyma-ga odpowiedniego podejścia obliczeniowego. Podczas analizy uwzględniono szereg przypadków obciążenia konstrukcji. Ze względu na warunki ekspozycji konstrukcji oraz materiał, z ja-kiego zaprojektowano ją, głównymi obciążeniami są oddziały-wania klimatyczne, w szczególności obciążenie wiatrem oraz temperaturą.
W przypadku obciążenia wiatrem, obliczonego na podstawie normy PN-EN 1991-1-4 [7], uwzględniono sześć przypadków położenia ekranów. W pierwszym założono, że ekrany znajdują się pod kątem 90° do poziomu – praca konstrukcji jako tablica. W następnych dwóch przypadkach uwzględniono pracę ekra-nów jako wiaty jednospadowe o nachyleniu połaci do poziomu odpowiednio 45° oraz 0°. Dodatkowo analizę przeprowadzono w dwóch wzajemnie do siebie prostopadłych kierunkach.
W przypadku obciążenia temperaturą największe znaczenie ma fakt nierównomiernego ogrzania ustroju nośnego, co po-woduje wystąpienie deformacji zwiększających skutek oddzia-ływania pozostałych obciążeń. Po przeanalizowaniu wszyst-kich przypadków obciążeń oraz przeprowadzeniu kombinacji oddziaływań za pomocą programu Autodesk Robot Structural
Analysis Professional 2014 otrzymano obwiednię sił
wewnętrz-nych. Ekstremalne wartości sił, wynikające z przeprowadzonej analizy, zebrano i przedstawiono w tabl. 1.
Otrzymane wartości obciążeń przekazywane z trzonu nośne-go na fundament konstrukcji wskazują na działanie sił na dużym mimośrodzie. Jako punkt odniesienia w analizie posadowienia konstrukcji zaproponowano posadowienie bezpośrednie obiek-tu hybrydowego na kołowej stopie fundamentowej. Za warunek wyjściowy przy doborze wymiarów fundamentu uznano zało-żenie, zgodne z normą Eurokod 7 [8], że mimośród działania obciążenia nie powinien przekraczać 0,6 długości promienia. Warunek ten jest słuszny ze względu na zapewnienie konstrukcji stateczności na obrót względem bardziej obciążonej krawędzi
Rys. 2. Wizualizacja konstrukcji wsporczej pod ogniwa PV – model oblicze-niowy w programie Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2014 [6]
INŻYNIERIAMORSKAIGEOTECHNIKA,nr3/2015
500
fundamentu. Ostatecznie stwierdzono, że warunki I Stanu Gra-nicznego Nośności (I SGN) według (1) spełnia kołowa stopa o promieniu R = 5,6 m i wysokości H = 1,6 m, posadowiona na głębokości D = 3,3 m. Przy tych wymiarach poziom wykorzy-stania nośności podłoża to 98,73%.
gdzie:
Fx,d – obliczeniowa siła pionowa w poziomie posadowienia [kN], Rd – obliczeniowa nośność fundamentu [kN].
Sprawdzenie II Stanu Granicznego Użytkowalności prze-prowadzono drogą numeryczną, w środowisku programu
Z_ Soil 2012 v12.19. Zbudowany model konstrukcji w układzie
3D składał się z 6593 węzłów (rys. 4) i odwzorowywał całą konstrukcję. Siatkę elementów skończonych dobrano w taki sposób, aby jej największe zagęszczenie występowało w rejonie przyłożenia obciążenia. Na podstawie przeprowadzonej analizy stwierdzono, że wartość osiadań konstrukcji wynosi 9,6 mm, co według relacji (2) i zgodnie z normą [9] jest wartością mniejszą od wartości osiadań dopuszczalnych równej sdop = 50 mm:
(2) Posadowienie bezpośrednie konstrukcji wsporczej pod ogni-wa PV wiązałoby się z dużą degradacją terenu, znaczną ilością robót ziemnych i betoniarskich oraz groźbą uszkodzenia syste-mów korzeniowych unikatowej roślinności znajdującej się na terenie ŚOB. Z tego względu zaproponowano posadowienie alternatywne na mikropalach, których technologia wykonania
nie wymaga stosowania dużych urządzeń palujących. Pale roz-mieszczono w siatce kwadratowej o boku 1,0 m oraz spięto je oczepem o wymiarach 5,0 × 5,0 m, którego głębokość posado-wienia wynosi 1,0 m (rys. 5). Na podstawie obliczeń wykona-nych metodą Gwizdały i Motaka [3] i zgodnie z normą PN-EN 1997-1 [8] stwierdzono, że warunki I SGN według warunków (3) i (4) spełnia konstrukcja posadowiona na 24 mikropalach Titan 130/60 o buławie iniekcyjnej długości 16,0 m (rys. 6):
(3)
gdzie:
Ns – siła ściskająca przypadająca na jeden mikropal [kN],
Nt,d – obliczeniowa nośność mikrofala ściskanego [kN],
(4)
gdzie:
Nr – siła rozciągająca przypadająca na jeden mikropal [kN],
Nr,d – obliczeniowa nośność mikrofala rozciąganego [kN],
Jak poprzednio, sprawdzenie II Stanu Granicznego Użytko-walności przeprowadzono z wykorzystaniem programu Z_Soil Tabl. 1. Ekstremalne wartości sił wewnętrznych
Nazwa Wartość
Siła Fx 974,19 kN
Moment Mz -30 201,54 kNm
Moment My 7,37 kNm
Najbardziej niekorzystna kombinacja obciążeń
Wiodące obciążenie zmienne Temperatura
Obciążenie towarzyszące 1 Wiatr – kierunek zgodny z osią Y,ekrany nachylone pod kątem 0° Obciążenie towarzyszące 2 Obciążenie eksploatacyjne (montażowe)
Rys. 4. Model stopy fundamentowej w programie Z-Soil [6]
Rys. 5. Model oczepu z mikropalami w programie Z-Soil [6]
Rys. 6. Model obliczeniowy oczepu oraz mikropali wraz z podłożem gruntowym – wydruk z programu Z-Soil [6]
INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA, nr 3/2015 501
2012 v12.19. Kotwy zamodelowano za pomocą komendy „an-chor” , uwzględniając ich możliwą pracę na wciskanie i
wycią-ganie. Podobnie, jak w wariancie posadowienia bezpośredniego, również i w tym przypadku warunek nieprzekroczenia wartości osiadań dopuszczalnych według (2) został spełniony:
PODSUMOWANIE
Istotą zaproponowanego rozwiązania hybrydowego układu: konstrukcja wsporcza pod ogniwa PV i urządzenia zwanego
trackerem jest możliwość jego adaptacji do innych warunków
terenowych poprzez nadanie dowolnego kształtu konstruk-cji w taki sposób, aby spełnione były specyficzne wymagania każdego inwestora oraz, aby zoptymalizować proces produkcji energii. Przedstawiony w pracy układ „konstrukcja wsporcza – ogniwa fotowoltaiczne – fundament” można uznać za układ uniwersalny (wyjściowy), a jego kształt, moc oraz wygląd jest uzależniony tylko od stawianych mu wymagań. Posadowienie konstrukcji wsporczych tego rodzaju wiąże się z występowa-niem obciążeń działających na dużym mimośrodzie. Wymu-sza to stosowanie tzw. fundamentów masywnych w przypadku posadowienia bezpośredniego. W celu ograniczenia wielkości robót ziemnych lub posadowienia w trudnych warunkach grun-towo-wodnych można zastosować posadowienie pośrednie, którego przykładem wykorzystanym w niniejszej koncepcji jest wykonanie mikropali. Należy pamiętać, że technologia wykona-nia fundamentu zależy w dużej mierze od zastanych warunków terenowych oraz uwarunkowań lokalizacyjnych.
LITERATURA
1. Bilans aktualnego zużycia mediów (prąd, woda i paliwo płynne) dla budynku Centrum Edukacji Przyrodniczej i Ekolog. Śląskiego Ogrodu Bota-nicznego, październik 2013.
2. Dane klimatyczne ze stacji meteorologicznej Śląskiego Ogrodu Bota-nicznego w Mikołowie, 2013.
3. Dane klimatyczne ze stacji meteorologicznej Uniwersytetu Śląskiego, Wydział Nauk o Ziemi, mgr Tomasz Budzik.
4. Dokumentacja Geotechniczna MIKOŁÓW, ul Sosnowa – Centrum Edukacji Przyrodniczej i Ekologicznej Śląskiego Ogrodu Botanicznego – obiekt wolnostojący. 2010 i 2013.
5. Gwizdała K., Motak E.: Analityczna i doświadczalna ocena nośności pali fundamentowych nowych technologii. XI Krajowa Konferencja Mechani-ki Gruntów i Fundamentowania. Geotechnika w Budownictwie i Transporcie. Gdańsk 1997.
6. Piotrowicz B., Ćwirko M.: Analiza systemu OZE i sposobu jego posa-dowienia na terenie Sośniej Góry w Mikołowie. Magisterska praca dyplomowa pod kierunkiem M. Jastrzębskiej, Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej, Gliwice 2014.
7. PN-EN 1991-1-4 Oddziaływania na konstrukcję. Część 1-4: Oddziały-wania ogólne. OddziałyOddziały-wania wiatru.
8. PN-EN 1997-1 Projektowanie geotechniczne. Zasady ogólne. 9. PN-81/B-03020 Posadowienie bezpośrednie budowli.
10. Strona internetowa: PVGIS (c) European Communities, 2001-2012. 11. Świadectwo charakterystyki energetycznej dla budynku nr 5/2010 (do-tyczy budynku Centrum Edukacji Przyrodniczej i Ekologicznej Śląskiego Ogro-du Botanicznego), listopad 2010.
